太阳能热水器智能控制系统的设计论文.docx
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1、摘 要 如今,热水器成为人们生活中必不可少的一样居家用品,其中电热水器使用费用昂贵,燃气热水器使用不安全,都给人们带来了困扰,而太阳能热水器有效的解决了这些问题。同时绿色环保,使用方便,顺应了时代发展要求,满足了人们对环保产品的使用需求。目前,中国太阳能热水器产量为世界第一,有一百多家太阳能热水器生产产商,但是,相关配套设施功能并不完善,尚停留在温度水位显示层次,而本设计则做到了真正的控制,本设计基于STC89C51单片机采用LCD1602显示,DS18B20防水探头测温,不仅能在显示器上显示当前温度和设置的温度上下限,按键还可以设置水温的控制范围,并在超出温度范围时报警,做到安全与智能。本文
2、第一章介绍了太阳能热水器的研究现状以及发展意义,第二章主要介绍了本系统的整体结构,第三章介绍硬件电路的方案选择以及设计,第四章为软件设计部分,第五章为调试。关键词:太阳能热水器;单片机;温度设置ABSTRACT Nowadays, the water heater as household products become indispensable in peoples life, the electric water heater is to expensive and gas water heater is unsafe,it has brought troubled to people
3、, and the solar energy water heater solve these problems effectively. At the same time, the solar water is a environmental protection product and its easy to use,the solar water conform the development requirement of our life,it meet peoples using requirements of environmental protection product. At
4、 present, Chinas solar water heater production is the most of the world, there are more than one hundred solar water heater production, but the relevant supporting facilities is not complete, still stays in the water temperature display level, and this design is the real control can be achieved, but
5、 the design is based on STC89C51 microcontroller using LCD1602 display, DS18B20 waterproof probe temperature measurement, not only can display the current temperature and setting temperature on the display on the floor, the keys can also set the water temperature control, alarm and beyond the temper
6、ature range, security and intelligence. In this paper, the first chapter introduces the research status and development of solar water heater, the second chapter mainly introduces the overall structure of this system, the third chapter presents the scheme selection and design for hardware circuit, t
7、he fourth chapter is the part of software design, the fifth chapter is to debug the simulation.Keywords:Solar water heaters, microcontroller, temperature Settings目 录1 绪论11.1 太阳能热水器的背景意义11.2 太阳能热水器智能控制系统发展现状11.3 设计的主要工作22 设计思想与方案32.1 设计思想3 2.1.1 太阳能热水的工作原理3 2.1.2 太阳能热水器智能控制系统的设计要求32.2 设计方案4 2.2.1 太阳能
8、热水器集热板的选择4 2.2.2 太阳能热水器水系统的选择5 2.2.3 太阳能辅助加热的选择6 2.2.4 单片机的选择7 2.2.5 温度传感器的选择7 2.2.6 水位监测的选择83 硬件系统的设计93.1 主要元器件的介绍9 3.1.1 STC89C519 3.1.2 DS18B20温度传感器9 3.1.3 水位检测器10 3.1.4 SMC1602A液晶显示器10 3.1.5 蜂鸣器11 3.1.6 LM39311 3.1.7 SRD-05VDC-SL-C继电器12 3.1.8 MAX485133.2 硬件电路的设计13 3.2.1 单片机最小系统13 3.2.2 蜂鸣器报警电路15
9、 3.2.3 按键电路15 3.2.4 温度检测电路16 3.2.5 RS-485总线通讯16 3.2.6 水位检测电路17 3.2.7 指示灯电路17 3.2.8 显示屏电路174 软件系统的设计194.1 软件设计的描述194.2 系统软件的程序设计19 4.2.1 键盘模块程序设计19 4.2.2 显示器程序设计20 4.2.3 温度测量程序设计20 4.2.4 水位检测程序设计21 4.2.5 热水器加热程序21 4.2.6 热水器加水程序225 系统调试运行及结果分析15.1 系统使用说明15.2 系统运行结果1 5.2.1 开机显示1 5.2.2 设置各项参数2 5.2.3 加热加
10、水指示25.3 设计课题的误差及缺陷分析35.4 设计体会4结束语4参考文献5致 谢7附 录8附录A 元件清单9附录B 实物图91 绪论1.1 太阳能热水器的背景意义 近年来,太阳能热水器推广迅速,许多潜在消费者对太阳能热水器的要求越来越高,特别是在太阳能热水器控制器的要求方面,许多太阳能热水器的厂家为了让自己的产品在市场上占领主导地位,在不断提高旗下太阳能热水器产品性能的同时,也在尽力满足着消费者对太阳能热水器日益增长的需求,所以太阳能热水器在不断更新,智能化程度在不断提高。本设计为了迎合广大消费者的需求,探寻科技应用前沿,追踪市场,以众多资料以及市面上已有的太阳能热水器产品为模型,再运用在
11、大学所学的知识以及自己对太阳能热水器的理解和想法,仿制出了一套太阳能热水器的智能控制系统,本系统本着以科技为主的思路,贴合大众对太阳能热水器的智能需求,并以性价比较高的芯片组成,即符合了人们对科技的需求,也达到了较为经济实惠的价格,为大家提供了一套智能化程度较高、使用方便、性价比较高的太阳能智能控制系统。1.2 太阳能热水器智能控制系统发展现状现在,中国已经是全球第一的太阳能热水器生产国,一年的产量总量约为世界各国产量的总和,据不完全统计,国内现有超过100家太阳能热水器生产厂商。但是与之相关的太阳能热水器的智能控制却基本处在研发阶段。现在市场上较普遍的控制系统只具有显示温度和显示液位的功能,
12、且这种显示为分段显示,温度显示误差为10%,水位显示误差为25%。这种显示器不仅没有温度控制功能,在天气而导致的光线强度不足时,还会给广大用户带来不便;即便热水器拥有额外的加热功能,也会因为加热的时间无法控制而干烧,导致大部分电能的浪费。此次设计的太阳能热水器控制系统基于STC89C51单片机,采用DS18B20温度传感器,在水位、温度等参数实时显示的同时还具有对时间、温度的设置、控制功能。对温度的控制实现了精准控制,此设计会由用户的设置情况来控制集热器,让水箱内的温度达到预定时间里预定的温度,以至于实现全天不限时供应热水的目标。太阳能热水器是利用太阳能的产品中最为普遍的一种产品,经济效果显著
13、,在世界范围内迅速普及,这种热水器可以使太阳能转换为热能,为人们的生活甚至生产提供方便、廉价的热水。它的组成分为集热器、蓄水器以及连接管道等部件,拥有多种类型如循环式、闷晒式等。随着世界的不断发展,人们生活水平也随之不断提高。现在较为普遍的热水器分为电热水器和燃气热水器,电热水器的使用费用较高,燃气热水器在使用中安全有时候得不到保障,在使用时所排放的二氧化碳也污染着大气,以上两种热水器的缺点只有太阳能热水器可以弥补。太阳能热水器是一款环保的绿色产品。它操作起来简单、方便,能满足人们对于热水的需求。并且太阳能热水器符合当下可持续发展的要求,也符合人们对绿色产品的期望。在人类社会发展到如今的高度并
14、逐渐关注环保时,太阳能热水器是人们当之无愧的最佳选择。本次设计的太阳能热水器拥有设置温度与自动补水的功能,根据用户的需求,将温度调制用户适宜的温度下,太阳能热水器会根据用户的设置而自动加热,在太阳能热水器水箱中水量不足时,也能自动补水,不会导致用户无水可用。且这次设计使用的是真空管集热器,能最大限度的利用太阳能。1.3 设计的主要工作太阳能智能控制系统的主要任务是,将太阳能热水器与智能控制系统相结合,智能控制系统中硬件配合软件,将各个硬件模块进行软件设计,使控制系统达到控制热水器的功能。太阳能热水器采用的是太阳能真空管当集热器,为水加热,运用水直流循环系统来进行加热,再配合基于STC89C51
15、单片机的控制系统工作,控制系统由单片机、蜂鸣器、SMC1602液晶显示器、SD18B20温度传感器、Water sensor水位传感器、LM393等原件组成,把上述模块通过电路连接在一起,设计原理图,再进行焊接,制作实物。实物制作完成后,利用KELL软件对智能控制系统进行程序开发,并编译成单片机能识别的程序,通过下载口,下载到单片机中,进行调试,并记录下结果。2 设计思想与方案2.1 设计思想2.1.1 太阳能热水的工作原理太阳能热水器是将太阳能转换为热能,来为水加热。冷水从底端进入太阳能热水器的集热版,热水器将太阳能转化为热能后,在集热管加热进入的冷水。因为冷水密度比热水大,所以热水将从上端
16、出口进入水箱,若未达到预设温度,则继续从底端进入集热管进行加热。其原理图如图1所示。 图1 太阳能热水器工作原理若想实现太阳能热水器的智能控制,如水温不够及时加热,水量不够及时加水,则需要利用单片进行设计,在水温不够时,继电器启动,水泵工作,开始加热,水位不够时,继电器启动,开始加水。实现真正的太阳能热水器智能控制。2.1.2 太阳能热水器智能控制系统的设计要求为了实现太阳能热水器智能控制系统的实际使用,使太阳能热水器达到真正的智能,根据大学期间所学习的知识,以及自己的能力对太阳能智能控制系统具有以下几点要求:(1) 能设置水温、温度设置的上下限以及预热时间;(2) 水温的检测范围为099,精
17、度为1;(3) 温度上下限预设值达到099,在温度没有达到预设下限时开始加热,在检测温度高于预设上限时,停止加热;(4)设置加键、减键、设置按键、确定4个按键。2.2 设计方案 随着社会的发展,科技的更新也日新月异,太阳能热水器在不断的更新换代,太阳能热水器智能控制系统性能也在不断的提升,所以本次设计分为太阳能热水器和智能控制系统2各部分,太阳能热水器包括集热器及水循环系统;在控制系统方面,由于单片机领域的不断成熟,所以智能控制系统采用单片机为系统核心,并且具备显示模块,温度测量模块以及水位测量模块。2.2.1 太阳能热水器集热板的选择太阳能热水器的采集器分为两种,其中一种太阳能热水器加热采用
18、平板型集热器进行加热,平板型集热器由吸热板、隔热层、透明盖板等组成,由于平板型集热器是一块大板,所以对于太阳能的热量收集效率比较高,全球范围内欧美等发达国家在太阳能的集热器选择上,有90%均选用的是平板型集热器,因为国外的太阳能设计理念不同,一般采用的为分体式系统和闭式承压系统,所以基本选用承压能力强、吸热面积大的平板型集热器,并且采用平板型集热器的系统均比较可靠,后期维护保养成本不高,使用寿命比较长,但是采用平板型集热器初期投资成本过高,并且,在冬季的使用之比较麻烦。其实物图如图2所示。图2 平板型集热器另外一种采用太阳能全玻璃真空管,也就是俗称的三高管,其构造由6各部分组成,分别是内玻璃管
19、、太阳选择性吸收涂层、真空夹层、罩玻璃管、支承件、吸气剂。相对于平板型集热器来说,真空管体积更小,安装位置更灵活,并且在冬季时能使用,其耐冻性能良好,在零下50时也不会冻裂,并且启动较快,在太阳下晒几分钟便可加热冷水,在太阳关照条件一般时,也能提供热量,为热水器加热。其实物图如下图3所示。图3 太阳能热水器真空管综合上面2中集热器,为了保证太阳能热水器在冬天的使用性以及经济性,采用方案二的全玻璃真空管作为太阳能热水器的集热器。2.2.2 太阳能热水器水系统的选择太阳能的水循环是一个至关重要的部分,分为自然循环和直流循环,自然循环是指太阳能热水器的水箱与集热器由管道相连接,在集热器进行加热后,由
20、于水的物理特性,热水的密度小于冷水,热水便会上升,冷水下沉,从而,水箱中的水将会出现上面热下面凉的情况,集热器中热水的上升将会为水循环提供一个动力,将水箱底部的凉水抽入集热器加热,加热的水又回到水箱上部,从而达到水循环的目的,用这种自然循环的方式运行可靠,结构简单易于开发,且运行过程中无需动力,减少了系统运行中的成本。但是这种循环模式的太阳能热水器不能实现智能控制,由于他的加热是无法控制的,水箱里的水也会一直加热,并且用户在使用时,每次使用热水管供应的温度将会不一致,从而导致每次使用时都要先用水龙头调制合适位置,才能使用,其方便程度不佳,其原理如下图4所示。图4 自然循环还有一种采用直流式水系
21、统来实现水太阳能热水器的循环加热,这种循环方式与方案一不同,在集热器的下端有一个水泵供水,在需要加热时,由水泵工作,将底端的水抽入集热器进行加热,这样可以增加集热管的利用率,水的循环也会加快,水的加热速度相对于方案一也会加快,采用这种方法就能够对太阳能热水器进行智能控制,当水温传感器在测量到水箱温度以后,根据用户需要,若水箱温度达不到设置温度,水泵便开使运转,将水循环加热,若水箱温度达到用户所设置的温度值时,水泵便停止工作。而且,用户在使用时可直接采用水箱中的热水,无需用水龙头额外调节水温,使用起来较为方便。其原理如下图所示。图5 直流式水系统根据以上2中循环方式,虽然自然循环结构更为简单,更
22、具有经济性,但是其智能程度不够,用户使用起来有诸多不便,而直流循环则更加智能,能为用户提供更方便智能的体验,所以在水的循环方式上选择直流循环。2.2.3 太阳能辅助加热的选择太阳能热水器在阳光充足时,能够有效的发挥其功效,利用太阳能来对水进行加热,但是,生活中难免出现持续的阴雨天气,这时候太阳能集热器所能吸收的热量就有限,导致用户所使用时水温达不到标准,此时就需要对太阳能热水器水箱中的水进行辅助加热。现在市面上辅助加热的方法有非常多,其中一种为在室内出水管处串一个即热式电热水器,这种方式的辅助加热测温芯片需要放置在用户的出水口处,在太阳能热水器的集热器发挥作用不大时,打开电源,及时进行加热,保
23、证用户的用水质量。这种方法使用起来比较方便,但在没有进行辅助加热时也可能会有些误差,由于此种方法的测温芯片是放在下端,在没有进行辅助加热时,测温芯片与太阳能水箱相隔较远,而由于热水与冷水的密度不同,所以水箱中的水温与芯片处的水温不同,测温芯片测得都是下端的冷水水温,而水箱中的水温则会高于用户设置值,导致使用情况偏热。另一种为在水箱中进行辅助加热,即在水箱中安装一个电加热棒,在冬天或者光照条件不佳的情况下,打开电源,电加热棒则开始工作,对水箱内的水开始加热,若干分钟后,观察若达到用户所想要的温度值关闭,即可用水。永此种辅助加热方式就不会出现上述情况,由于测温芯片与辅助加热装置同在水箱内部,测用户
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